Главная / Физика / Исследовательская работа «Зависимость высоты струи фонтана от физических параметров»

Исследовательская работа «Зависимость высоты струи фонтана от физических параметров»













«Зависимость высоты струи фонтана от физических параметров»























г. Черногорк – 2014 г.



МБОУ «Лицей»


СОДЕРЖАНИЕ

Введение

  1. Цель исследования

  2. Гипотеза

  3. Задачи исследования

  4. Методы исследования

I. Теоретическая часть

1.История создания фонтанов

2.Фонтаны в Хакасии

3.История появления фонтана в Петербурге

4. Давление как движущая сила работы фонтанов:

4.1 Силы давления жидкости

4.2 Давление

4.3 Принцип действия сообщающихся сосудов

4.4 Техническое устройство фонтанов


II. Практическая часть

1.Действие различных моделей фонтанов.

1.1 Фонтан в пустоте.

1.2 Фонтан Герона.

2. Модель фонтана

III. Заключение

IV. Список литературы

V. Приложение




















ВВЕДЕНИЕ

Фонтаны – это непременная декорация классического регулярного парка. Об их красоте хорошо сказал А.С.Пушкин:

Летят алмазные фонтаны

С весёлым шумом к облакам,

Под ними блещут истуканы...

Дробясь о мраморны преграды,

Жемчужиной, огненной дугой

Валятся, плещут водопады.



Мы часто любуемся красотой фонтанов в нашей столице г. Абакане.. Каждый новый фонтан. Это новая волшебная сказка, новый сказочный уголок, куда стремятся жители города. Мы с дедушкой долго наблюдали, как строился фонтан в нашем парке. Я задала вопрос дедушки, а можно ли сделать фонтан в домашних условиях. Появилась проблема. Вместе стали думать, как эту проблему разрешить. Когда нас посвящали в лицеисты, я впервые увидела фонтан в лабораторных условиях.

Я очень задумалась, как и почему работает фонтан. Попросила свою учителя физики, что бы она мне помогла разобраться в этом. Мы решили ответить на этот вопрос, провести исследование.

Выбранная мною тема интересна и актуальна в настоящее время .Так как фонтаны, являются одним из основных предметов ландшафтного дизайна парковой зоны, источником воды в жаркое летнее время, а каждый уголок города становится более красивым и уютным с помощью фонтана.


ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: Выяснить, как и почему работает фонтан, и от каких физических параметров зависит высота струи в фонтане.


ГИПОТИЗА: Я предполагаю, что фонтан, можно создать на основе свойств сообщающихся сосудов и высота струи в фонтане зависит от взаимного расположения этих сообщающихся сосудов.


ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

  1. Пополнить свои знания по теме «Сообщающиеся сосуды».

  2. Использовать полученные знания для выполнения творческих заданий.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

  1. Теоретический – изучение первоисточников.

  2. Лабораторный – проведение эксперимента.

  3. Аналитический – анализ полученных результатов.

  4. Синтез – обобщение материалов теории и полученных результатов. Создание модели.

1.ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ФОНТАНОВ

Говорят, есть три вещи, на которые можно смотреть бесконечно – огонь, вода и звезды. Созерцание воды - будь то таинственная глубина ровной глади, или прозрачные струи, приливающиеся и торопящиеся куда-то, как живые - не только приятно для души и благотворно для здоровья. Есть в этом что-то первобытное, отчего человек всегда стремится к воде. Не зря дети могут часами играть даже у обычной дождевой лужи. Воздух у водоема всегда чист, свеж и прохладен. Да и не зря говорят, что вода – «очищает», «омывает», не только тело, но и душу. 

Наверное, каждый замечал, насколько легче дышать возле воды, как исчезают усталость и раздражение, как бодрит и одновременно умиротворяет нахождение вблизи моря, речки, озера или пруда. Уже в древности люди задумывались о том, как создать искусственные водоемы, особенно интересовала их загадка бегущей воды. 

Слово фонтан – латино-итальянского происхождения, происходит оно от латинского «фонтис», что переводится «источник». По смыслу это означает струю воды, бьющую вверх или под напором вытекающую из трубы. Есть водные фонтаны природного происхождения – фонтанирующие небольшими струями родники. Именно такие природные источники привлекали внимание человека с древнейших времён и заставляли задуматься, как использовать это явление там, где это необходимо людям. Ещё на заре веков зодчие старались обрамить поток воды из фонтана декоративным камнем, создать неповторимый узор из водных струй. Особенно широкое распространение получили небольшие фонтаны тогда, когда люди научились прятать водные струи в трубы из обожженной глины или из бетона (изобретение древних римлян). Уже в Древней Греции любой фонтаны стали атрибутом почти каждого города. Выложенные мрамором, с мозаичным дном, они совмещались то с водяными часами, то с водяным органом, то с кукольным театром, где фигурки двигались под воздействием струй. Историки описывают фонтаны с механическими птицами, которые весело пели и

замолкали, когда внезапно появлялась сова. Дальнейшее развитие

строительство фонтанов получило в Древнем Риме. Здесь появились первые дешевые трубы - их делали из свинца, которого много оставалось после переработки серебряной руды. В первом веке нашей эры , в Риме благодаря пристрастию населения к фонтанам на одного жителя расходовалось 1300 литров воды в день. С этого времени в доме каждого состоятельного римлянина устраивался небольшой дворик и бассейн, в центре ландшафта обязательно бил небольшой фонтан. Этот фонтанчик играл роль источника питьевой воды и источника прохлады в жаркие дни. Развитию фонтанов способствовало изобретению древнегреческими механиками закона сообщающихся сосудов, используя который, патриции устраивали фонтаны во дворах своих домов. Декоративные фонтаны древних можно смело назвать прототипом современных фонтанов. В дальнейшем фонтаны эволюционировали от источника питьевой воды и прохлады к декоративному украшению величественных архитектурных ансамблей. Если в Средние века фонтаны служили только источником водоснабжения, то с началом Эпохи Возрождения фонтаны становятся частью архитектурного ансамбля, а то и его ключевым элементом. (См. прил. 1)


2.Фонтаны в Хакасии

В хакасской столице, в городе Абакан, построили уникальный фонтан на малом водоеме парка. Дело в том, что фонтан – плавающий. Он состоит из насоса, поплавка, подсветки и фонтанной насадки. Новый фонтан интересен тем, что его легко монтировать и демонтировать, его можно установит в абсолютно любом месте в водоеме. Высота струи составляет три с половиной метра. Интересной особенностью конструкций фонтана является наличие разных водных картин. Этот фонтан в летнее время работает круглосуточно.(См. прил. 2)

Возведение фонтана завершено возле администрации города Абакана.

Вода здесь не поднимается вверх, а

спускается по кубическим конструкциям вниз, в вазоны с водными

растениями. Чаша фонтана выложена природным каменным плитняком. Проект разработан абаканскими архитекторами. Кубические конструкции стилизованы под архитектуру здания градостроительного департамента.(См. прил. 3)



3.История появления фонтана в Петербурге.

Расположение городов по берегам рек, обилие естественных водных бассейнов, высокий уровень грунтовых вод и равнинный рельеф местности - все это не способ­ствовало строительству фонтанов в России в средние века. Воды было много, получать ее было легко. Первые фонтаны связываются с именем Петра I.

В 1713г, архитектор Лебдон предложил соорудить фонтаны в Петергофе и снабдить их «игральными водами, ибо парки зело скучными

кажутся». Ансамбль парков, дворцов и фонтанов Петергофа возникает в первой четверти XVIII в. как своеобразный триумфальный памятник в честь успешного завершения борьбы России за выход к Балтийскому морю (144 фонтана, 3 каскада). Начало строительства датируется 171 г.

Французский мастер предлагал "строить водозаборные сооружения, как в Версале, - поднимая воду из Финского залива. Это, с одной стороны, потребовало бы возведения насосных сооружений, а с другой - более дорогих, чем предназначенных для использования пресной воды. Вот почему в 1720 г. Петр I сам отправился в экспедицию по окрестностям, и в 20 км от Петергофа, на так называемых Ропшинских высотах обнаружил большие запасы родниковых и подземных вод. Строительство водовода было поручено первому русскому инженеру-гидравлику Василию Туволкову.

Принцип действия фонтанов Петергофа прост: вода на форсунки водоемов идет самотеком. Здесь используется закон сообщающихся сосудов: пруды (водохранилища) расположены зна­чительно выше территории парка. Например, Розовопавильонный пруд, откуда берет начало Самсоновский водовод, находится на высоте 22м над уровнем залива. Резервуаром воды для Большого каскада служат 5 фонтанов Верхнего сада.



Теперь несколько слов о фонтане «Самсон» - главном среди всех фонтанов Петергофа по высоте и мощности струи. Монумент был, воздвигнут в 173 г. в честь 25-летнего юбилея Полтавской баталии, решившей исход Северной войны в пользу России. Он изображает библейского богатыря Самсона (битва произошла 28 июня 1709г., в день святого Самсона, считавшегося небесным покровителем русского воинства), раздирающего пасть льву (государственный герб Швеции включает изображение льва). Создатель фонтана – К, Растрелли. Работа фонтана подчеркивается интересным эффектом; когда включаются фонтаны Петергофа, появляется вода и в разинутой пасти льва, причем струя постепенно становится все выше и выше, и, когда она достигает предела, символически демонстрирующего исход поединка, начинают бить фонтаны


«Тритоны» на Верхней террасе каскада («Сирены и наяды»). Из раковин, в

которые трубят морские божества, вырываются широкими дугами фонтанные струи: повелители воды трубят славу богатырю.

В 1739г. для императрицы Анны Иоанновны по чертежам канцлера А. Д. Татищева около Ледяного дома был выполнен своеобразный фонтан: фигура слона в натуральную величину, из хобота которого била струя воды высотой 17метров (вода подавалась насосом), в ночное же время выбрасывалась горящая нефть. Перед входом в ледяной дом два дельфина также выбрасывали струи нефти.

В большинстве же случаев для создания фонтанов в Петергофе использовались насосы. Так, пара атмосферный насос был впервые применен с этой целью именно в России. Он был построен по заказу Петра I в 1717-1718 гг. и установлен в одном из помещений грота Летнего сада для подъема воды к фонтанам.

Петербургские фонтаны работают в течение пяти месяцев (с 9 мая по конец октября) ежедневно (расход воды за 10 ч составляет 100 000 м3).

День святого Самсона, победившего льва совпал с разгромом шведов под Полтавой 27 июня 1709 года. "Самсон российский рыкающего льва австрийского преславно растерзавший" — говорили о нем современники. Под Самсоном подразумевался Петр I, а подо львом — Швеция, на гербе которой изображен этот зверь.

Большой каскад составляют 64 фонтана, 255 скульптур, барельефов, маскаронов и других декоративных архитектурных деталей в Петергофе, что позволяет считать это фонтанное сооружение одним из самых крупных в мире.

Роскошным ковром расстилается перед дворцом Верхний сад. Первоначальная планировка его была осуществлена в 1714-1724 гг. архитекторами Браунштейном и Леблоном. В Верхнем саду пять фонтанов: 2 фонтана Квадратных прудов, Дубовый, Межеумный и Нептун. (См. прил. 4)


  1. Давление как движущая сила работы фонтанов

4.1 Силы давления жидкости.

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы мы назы­ваем силами давления жидкости.

Прикрывая пальцем, отверстие открытого водопровод­ного крана, мы ощущаем силу давления жидкости на па­лец. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами давления воды на ба­рабанную перепонку уха. Термометры для измерения тем­пературы в глубине моря должны быть очень прочными, чтобы давление воды не раздавило их.

Ввиду огромных сил давления на большой глубине корпус подводной лод­ки должен иметь гораздо большую прочность, чем корпус надводного корабля. Силы давления воды на днище судна поддерживают судно на поверхности, уравновешивая дей­ствующую на него силу тяжести. Силы давления действуют на дно и на стенки сосудов, наполненных жидкостью: на­лив в резиновый баллон ртуть, мы видим, что его дно и стенки выгибаются наружу. (См. прил. 5,6)



Наконец, силы давления действуют со стороны одних частей жидкости на другие. Это значит, что если мы удалили какую-либо часть жидкости, то для сохранения равновесия оставшейся части нужно было бы приложить к образовавшейся поверхности определенные силы. Необходимые для поддержания равновесия силы равны силам давления, с которыми удаленная часть жидкости действовала на оставшуюся часть.



    1. 4.2 Давление

Силы давления на стенки сосуда, заключающего жидкость, или на поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, не приложены в какой-либо определенной точке поверхности. Они распределены по всей поверхности соприкосновения твердого тела с жидкостью. Поэтому сила давления на данную поверхность зависит не только от степени сжатия соприкасающейся с ней жидкости, но и от размеров этой поверхности.

Для того чтобы охарактеризовать распределение сил давления независимо от размеров поверхности, на которую они действуют, вводят понятие давления.

Давлением на участке поверхности называют отношение силы давления, действующей на этот участок, к площади участка. Очевидно, давление численно равно силе давления, приходящейся на участок поверхности, площадь которого равна единице.

Будем обозначать давление буквой р. Если сила давления на данный участок равна F, а площадь участ­ка равна S, то давление выразится формулой


р = F/S.


Если силы давления распределены равномерно по не­которой поверхности, то давление одно и то же в каждой ее точке. Таково, например, давление на поверхности порш­ня, сжимающего жидкость.

Нередко, однако, встречаются случаи, когда силы дав­ления распределены по поверхности неравномерно. Это значит, что на одинаковые площади в разных местах поверхности действуют разные силы. (См. прил. 7)


Нальем воду в сосуд, в боковой стенке которого сделаны одинаковые отверстия. Мы увидим, что нижняя струя вытекает на большее расстояние, верхняя – на меньшее.

Это значит, что в нижней части сосуда давление больше, чем в верхней части.



4.3 Принцип действия сообщающихся сосудов.


Сосуды, имеющие между собой сообщение или общее дно, принято называть сообщающимися.

Возьмем ряд сосудов различной формы, соединенных в нижней части трубкой.


Рис.5. Во всех сообщающихся сосудах вода стоит на одном уровне


Если наливать жидкость в один из них, жидкость перетечет по трубкам в остальные сосуды и установится во всех сосудах на одном уровне (рис. 5).

Объяснение заключается в следующем. Давление на свобод­ных поверхностях жидкости в сосудах одно и то же; оно равно атмосферному давлению.

Таким образом, все свобод­ные поверхности принадлежат одной и той же поверхно­сти уровня и, следовательно, долж­ны находиться в одной горизон­тальной плоскости. (См. прил. 8, 9)


Чайник и его носик представля­ют собой сообщающиеся сосуды: вода стоит в них на одном уровне. Значит, носик чайника должен доходить до той же высоты, что и верхняя кромка сосуда, иначе чайник нельзя будет налить доверху. Когда мы на­клоняем чайник, уровень воды остается прежним, а носик опускается; когда он опустится до уровня воды, вода начнет выливаться.

Если же жидкость в сообщающихся сосудах находится на разных уровнях (это можно достичь, если поставить между сообщающимися сосудами перегородку или зажим и долить жидкость в один из сосудов), то создается так называемый напор жидкости.

Напор – это давление, которое производит вес столба жидкости высотой, равной разности уровню. Под действием этого давления жидкость, если убрать зажим или перегородку, будет перетекать в тот сосуд, где ее уровень ниже, до тех пор, пока уровни не сравняются.

Совсем другой результат получается, если в разных коленах сообщающихся сосудов налиты неоднородные жидкости, т. е. их плотности разные, например вода и ртуть. Более низкий столб ртути уравновешивает более высокий столб воды. Учитывая, что условием равновесия является равенство давлений слева и справа, получим, что высота столбов жидкости в сообщающихся сосудах обратно пропорциональна их плотностям.

В жизни они встречаются довольно часто: различные кофейники, лейки, водомерные стекла на паровых котлах, шлюзы, водопровод, коленом согнутая труба – всё это примеры сообщающихся сосудов.

Принцип действия сообщающихся сосудов лежит в основе работы фонтанов.



    1. Техническое устройство фонтанов


Сегодня мало кто задумывается, как функционируют фонтаны. Мы настолько привыкли к ним, что, проходя мимо, лишь окидываем небрежно взглядом.

И действительно, что здесь особенного? Серебристые струи воды, под напором, взмывают в высь и рассыпаются на тысячи хрустальных брызг. Но на самом деле все не так уж просто. Фонтаны бывают водометные, каскадные, механические. Фонтаны - шутихи (например, в Петергофе), разной высоты, формы и у каждого есть свое название.

Раньше все фонтаны были прямоточными, то есть работали напрямую от водопровода, сейчас применяется «оборотное» водоснабжение, с использованием мощных насосов. Струятся фонтаны тоже по-разному: динамическими струями (могут менять высоту) и статическими струями (струя на одном уровне).

В основном фонтаны сохраняют свой исторический

облик, только "начинка" у них современная. Хотя, конечно же, строили их раньше тоже на славу, один из таких примеров - фонтан в Александровском саду.

Ему уже 120 лет, но часть труб сохранилась в хорошем состояние. (См. прил. 10)



II. Действие различных моделей фонтанов.

    1. Фонтан в пустоте.

Я провела исследование на тему «Фонтан в пустоте». Для этого я взяла две колбы. На первую я надела резиновую пробку и с пропущенной сквозь неё тонко стеклянной трубкой. На противоположный её конец надеть резиновую трубку. Во вторую колбу я налила подкрашенной воды.

С помощью насоса из первой колбы я откачала воздух, перевернула колбу. Резиновую трубку я опустила во вторую колбу с водой. Из-за разности давления, вода из второй колбы полилась струёй в первую.

Я выяснила, что чем меньше воздух в первой колбе, тем сильнее будет бить струя из второй.


    1. Фонтан Герона.

Я провела исследование на тему «Фонтан Герона». Для этого, мне нужно было сделать упрощенную модель фонтана Герона. Я взяла небольшую колбу и вставила в неё капельницу. В своём эксперименте по данной модели, колбу я поставила вниз горлышком. Когда я открыла капельницу, то вода полилась из колбы струей.

После, я опустила колбу немного ниже, вода полилась на много медленней, а струя стала гораздо меньше. Проделав соответствующие изменения, я выяснила, что высота струи в фонтане зависит от взаимного расположения сообщающихся сосудов.

Зависимость высоты струи в фонтане от взаимного расположения сообщсообщающихся сосудов. (См.прил. 11)

Зависимость высоты струи в фонтане от диаметра отверстия.

(См. прил. 12)



Вывод: высота струи фонтана зависит:

  1. От взаимного расположения сообщающихся сосудов, чем выше один из сообщающихся сосудов, тем высота струи больше.

  2. Чем меньше диаметр отверстия, тем высота струи больше.



  1. Модель фонтана

Для того, что бы построить фонтан на приусадебном участке, нужно сделать модель фонтана, выяснить, как строить фонтан и куда установить резервуар для подачи воды. Конструкцию для фонтана, изготовили в домашних условиях. Украсив саму модель фонтана,

С помощь капельницы присоединили к ней колбу.(См. прил. 13) Если опустить колбу вниз,

то вода польётся очень медленно, а если поднять колбу на вторую полку, то вода польётся большой струей вверх.

III. Заключение.

Целью моей работы было расширение области личных знаний по теме «Сообщающие сосуды», использование полученных знаний для выполнения творческого задания. В ходе работы я ответила на вопрос: что является движущей силой работы фонтанов и, смогла создать различные действующие модели фонтанов.

Я построила модель фонтана, изучила техническое устройство фонтанов. Провела опыты по теме «Сообщающиеся сосуды».

В дальнейшем, мы с дедушкой планируем построить фонтан на своём приусадебном участке, с помощью тех знаний и данных, которые мы получили, исследуя техническое устройство фонтанов.

Вывод: Вода в фонтане в фонтане работает по принципу «Фонтана Герона».




IV. Список литературы.

  1. «Физическая энциклопедия», генеральный директор А. М. Прохов.

г. Москва. Изд. «Советская энциклопедия» 1988 год, 705 стр.


  1. «Энциклопедический словарь юного физика» Сост. В. А. Чуянов – 2- е М.: Педагогика, 1991 год- 336 стр.

  2. Д. А. Кючарианц и А. Г. Раскина "Сады и парки дворцовых ансамблей Санкт- Петербурга и пригородов".

  3. Ф. Бублейников, И. Веселовский «Физика и опыт», М. Просвещение, 1970г.


Ссылки на картинки:

  1. www.aquatory.ru

  2. www.art-mramor.ru

  3. www.rupool.ru





V. Приложение.

Приложение 1.

hello_html_1460b56e.jpg















Приложение 2.

hello_html_12c09c8b.jpg











Приложение 3.

hello_html_70ddd629.jpg

Приложение 4.

hello_html_35cb9a7.gif

hello_html_3507d1e4.jpgПриложение 5.

Приложение 6.

hello_html_4cc89fa5.jpg



Приложение 7.

hello_html_m43242546.jpg

Приложение 8.

hello_html_m60acb716.jpg

Приложение 9.

hello_html_m547474a4.jpg





Приложение 10.

hello_html_317d41d1.jpg









Приложение 11.

Диаметр отверстия

Высота резервуара

Высота струи

0,1 см

50 см

2,5 см

0,1 см

1 м

3,5 см

0,1 см

130 см

5см









Приложение 12.

Диаметр отверстия

Высота резервуара

Высота струи

0,1 см

50 см

2,5 см

0,3 см

50 см

2 см

0,5 см

50 см

1,5 см









Приложение 13.

hello_html_m724ec3d8.jpg











Приложение 14.

hello_html_494e865f.jpg










































17


Исследовательская работа «Зависимость высоты струи фонтана от физических параметров»
  • Физика
Описание:

  Мы часто любуемся красотой фонтанов в нашей столице г. Абакане.. Каждый новый фонтан. Это новая волшебная  сказка, новый сказочный уголок, куда стремятся  жители города.  Мы с дедушкой долго наблюдали, как строился фонтан в нашем парке.  Я задала вопрос дедушки, а можно ли сделать фонтан в домашних условиях. Появилась проблема. Вместе стали думать,  как эту проблему разрешить. Когда нас посвящали в лицеисты, я впервые увидела фонтан в лабораторных условиях. 

 

   Я очень задумалась, как и почему работает фонтан. Попросила свою учителя  физики, что бы она мне помогла разобраться в этом. Мы решили ответить на этот вопрос, провести  исследование.

Автор Тартачакова Татьяна Николаевна
Дата добавления 30.12.2014
Раздел Физика
Подраздел
Просмотров 1483
Номер материала 18194
Скачать свидетельство о публикации

Оставьте свой комментарий:

Введите символы, которые изображены на картинке:

Получить новый код
* Обязательные для заполнения.


Комментарии:

↓ Показать еще коментарии ↓